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Materialwissenschaftliche Untersuchungen von Rohstoff, Zwischenprodukten und Finalprodukt im Rübenzuckerfabrikationsprozess
Haji Nezhad, Ahmad
Die Forderungen nach Schnellmethoden und on-line-Verfahren für die Bestimmung und die Einhaltung der Qualität von Lebensmitteln bedingt die Suche nach schnell messbaren in der Regel physikalischen Größen, welche zuverlässig mit der Qualität korrelieren. Zum Beispiel spielt in der Qualitätskontrolle und der Prozess-Automatisierung die Lebensmittel -Rheologie eine Rolle für die Lebensmittelverfahrenstechnik, wo Stoffdaten wie z. B. Viskositäten oder Wärmekapazitäten benötigt werden. Rheologische Methoden zur Aufklärung ablaufender Vorgänge während der Verarbeitung von Rohstoffen zu Lebensmitteln gehören zu den neueren Untersuchungsmethoden der Lebensmitteltechnik. Die Rüben wurden auf ihre mechanischen Eigenschaften mit einer Materialprüfmaschine Modell 4301 untersucht. Der erstmalige inline-online-Einsatz des Messsystems RHEOSWING® RSD 1-1 zur kontinuierlichen Erfassung der Rohsaftviskosität im technischen Maßstab wurde in der Zuckerindustrie in den Werken A und B mit dem Ziel durchgeführt, das Auftreten von viskositätserhöhenden Polysacchariden im Rohsaft unmittelbar zu erfassen und technologische Maßnahmen zur Sicherung der Fahrweise einzuleiten. Die Verwendung moderner Rheometer mit Luftlagertechnik UDS 200 und MCR 301 ermöglicht die Viskositätserfassung originären hochkonzentrierten und verdünnten Probenmaterials im technologisch interessierenden Temperatur- und Trockensubstanzbereich. Hintergrund der Messungen waren die verstärkte Anwendung von Melasse und Vinasse und Nachfragen aus der Industrie zu fehlenden aktuellen Kennwerten zur Technologieoptimierung. Ziel der Arbeit war es, die Stoffkennwerte infolge physikalischer Vorgänge in dem Zuckerfabrikationsprozess zu bestimmen. Bei der Untersuchung von den Rohstoffen bis zu den Finalprodukten wurden folgende Ergebnisse erhalten. Es konnte ein deutlicher Zusammenhang insbesondere zwischen der Bruchkraft, Elastizitätsmodul und elastischer Arbeit als charakteristische Kenngrößen für die physikalischen Eigenschaften und die Verarbeitungsqualität der Rüben in Abhängigkeit von der Lagerzeit beobachten werden. Bei der Untersuchung von Rohextrakt wurde eine Viskositätsänderung bei schlechten Rüben ermittelt. Die Viskosität des Extraktes nimmt mit zunehmender Konzentration an hochmolekularen Bestandteilen wie z. B. Pektin und Dextran zu. Als kritische Effekte werden Pektin- und Dextran als ein Superpositionsprinzip ermittelt. Vorliegende Stoffkennwerte der Viskosität von Rübenmelasse datieren im Regelfall aus den sechziger und neunziger Jahren des vorigen Jahrhunderts und charakterisieren Melasse im Konzentrationsbereich bis 80 % Trockensubstanzgehalt und beschreiben das Viskositätsverhalten ausschließlich mit einer dynamischen Viskosität in Abhängigkeit von der Temperatur und der Trockenmasse. Trockensubstanz- und Temperaturabhängigkeit des Viskositätsverhaltens sowie das zugehörige rheologische Deformationssystem werden bestimmt. Bei einem Trockensubstanzgehalt > 83 % liegt nicht-Newtonsches Verhalten bei Temperaturen unterhalb 50 °C vor. Experimentell ermittelte Abhängigkeiten des Viskositätsverhaltens der Melasse von Trockensubstanz, Temperatur und Fließindex werden dargestellt. Eine Optimierungsrechnung zur Auslegung der Prozesstechnik am Beispiel des hydraulischen Transportsystems wird vorgestellt. Das rheologische Verhalten von Vinasse als Nebenprodukt der Melassefermentation wurde bis jetzt kaum untersucht. Die rheologischen Untersuchungen ergaben eine Abhängigkeit des Fließverhaltens (Newton/nicht-Newton) vom vorherigen Prozess und nicht von der Trockensubstanz. Die Bestimmung der wärmephysikalischen Kennwerte erfolgte am Beispiel der Dichte, der spezifischen Wärmekapazität, des Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten und der Siedepunktserhöhung. Die aufgeführten wärmephysikalischen Kennwerte sollten aufgrund der Schwierigkeiten bei der Vermessung als orientierende Daten verwendet werden. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden Untersuchungen der Ausbildung des Böschungs- und Rutschwinkels für Zuckerkristallfraktionen durchgeführt. Durch Siebanalyse wurde die Partikelgrößenverteilung bei dem feinen Kristallzucker aus verschiedenen Zuckerfabrikationsprozessen ermittelt. Als Literaturergebnisse wurde fluiddynamisches Verhalten von Carbonatationsschlamm, reiner Saccharoselösung, technischer Saccharoselösung aus Rübe und Rohr und Kristallsuspension recherchiert. Das Fließverhalten von Carbonatationsschlamm ist z. B. von Interesse für den Reinigungszyklus der Beutel- bzw. Kerzenfilter, da nur ein gut fließfähiges System eine ausreichende Regenerierung der Filterflächen gewährleistet. Auch haben Fließeigenschaften von technischen Saccharoselösungen für die Modellierung von Wärmeübertragungsprozessen in der Zuckerindustrie eine entscheidende Bedeutung.
The need for fast and online methods for measurement and maintenance of quality of food has led to research for fast measurable, often physical, variables that reliably correlate with the quality. For instance, food rheology plays an important role in the quality control and process automation of food process engineering where material characteristics such as viscosity or thermo-capacity are required. More recently rheological methods have been employed in food process engineering to assess the different activities involved in the transformation of raw materials into food. The aim of this work was to evaluate the change in material characteristics as a result of physical processing in the sugar production. we evaluated the mechanical characteristics of the beets with the use of Instron (type 4310), a material testing device. Initially, the measurement system RHEOSWING® RSD 1-1 was used inline-online for the continuous acquisition of material viscosity within the technical scale. This was done in factories A and B of the sugar industry and aimed to capture the appearance of viscosity increasing polysaccharides in the raw juice and to initiate technological measures for the safety of the operation mode. The use of modern air mounting rheometers such as UDS 200 and MCR 301 allows the assessment of the viscosity of the original highly concentrated and diluted sample materials within the temperature and dry substance range that is technologically of interest. The reasons for such measurements were the increased use of molasses and vinasses, and the demand from industry for the missing specific values which are essential for technology improvement. The analysis from the raw materials up to the final products demonstrated the following results. we observed a considerable association between the maximal breaking force, elasticity and work as measures of the physical characteristics and of the processing quality of the beets. We further detected a change in viscosity of altered beets when the raw extracts were examined. The non-Newtonian flow characteristic of the extract correlates positively with the concentration of the high molecular compartments such as pectin and dextran. These were identified as critical effects when a super-positioning method was employed. Material characteristic values for the viscosity of the beet molasses, which are often derived from the measurements in the sixties and nineties of the last century, indicated a concentration capacity of maximum 80% of the dry material content and describe the viscosity characteristic as solely dynamic viscosity dependent on the temperature and dry substance. We determined the dependency of the dry material and of the temperature from the viscosity characteristics. We further examined the rheological deformation system of this relationship. At temperatures below 50 °C and with a dry substance content of >83% there is a non-Newtonian characteristic. We demonstrate that experimentally detected dependencies of viscosity characteristics of molasses from dry material, temperature and flow index. A hydraulic transport system is introduced as an example for optimization calculation for the design of the process technique. The rheological characteristic of vinasse has hardly been examined so far. The rheological testing showed a dependency of the flow characteristics (Newton/non-Newton) from the previous process and not from the dry material. The evaluation of the thermal-physical characteristic values was performed by density, specific heat capacity, heat conductivity coefficient, and boiling point increment. The listed thermal-physical characteristic values were aimed to be used only as rough estimates for the measurements because of difficulties in their exact measurement. We collected information about the flow characteristics of the sugar crystals. Investigations of the measured downslip and slip angle for sugar crystal factions were also a part of this work. Particle size distribution in the fine crystal sugar from sugar manufacturing processes was identified by sieve analysis. Fluid dynamic behaviour of Carbonatations mud, pure sucrose solution, and technical sucrose solution from beet and cane and crystal suspension were studied and used as literature results.
